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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6233351
(24)【登録日】2017年11月2日
(45)【発行日】2017年11月22日
(54)【発明の名称】モータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ制御プログラム
(51)【国際特許分類】
H02P 29/00 20160101AFI20171113BHJP
【ＦＩ】
H02P29/00
【請求項の数】15
【全頁数】42
(21)【出願番号】特願2015-111930(P2015-111930)
(22)【出願日】2015年6月2日
(65)【公開番号】特開2016-226200(P2016-226200A)
(43)【公開日】2016年12月28日
【審査請求日】2016年10月20日
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006622
【氏名又は名称】株式会社安川電機
(74)【代理人】
【識別番号】100104503
【弁理士】
【氏名又は名称】益田 博文
(74)【代理人】
【識別番号】100191112
【弁理士】
【氏名又は名称】益田 弘之
(72)【発明者】
【氏名】吉浦 泰史
(72)【発明者】
【氏名】加来 靖彦
(72)【発明者】
【氏名】菅沼 拓泰
【審査官】
▲桑▼原 恭雄
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１２／００８２２２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１１／０９３２８１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００６−２２７７９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
再公表特許第２０１０／０８２４５２（ＪＰ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０２Ｐ ２９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
モータの駆動による圧力制御を行うモータ制御装置であって、
前記モータと圧力センサを備えた制御対象モデルに対応する圧力制御フィードバックループを有し、
前記制御対象モデルは、
入力された圧力指令とセンサ反力と可動部粘性減衰力と可動部質量に基づいた値を前記モータの検出速度として出力し、当該検出速度に対し積分した値を前記モータの検出位置として出力し、
前記検出速度に可動部粘性減衰係数を乗じた値を前記可動部粘性減衰力とし、
前記検出速度にセンサ粘性減衰係数を乗じた値をセンサ粘性減衰圧力とし、
前記検出位置にセンサばね定数を乗じた値をセンサばね圧力とし、
前記センサ粘性減衰圧力に前記センサばね圧力を加算した値を前記圧力センサの検出圧力として出力し、
前記検出圧力を前記センサ反力としている
ことを特徴とするモータ制御装置。
前記モータと圧力センサを備えた制御対象モデルに対応する圧力制御フィードバックループを有し、
前記制御対象モデルは、
入力された圧力指令とセンサ反力と可動部粘性減衰力と可動部質量に基づいた値を前記モータの検出速度として出力し、当該検出速度に対し積分した値を前記モータの検出位置として出力し、
前記検出速度に可動部粘性減衰係数を乗じた値を前記可動部粘性減衰力とし、
前記検出速度にセンサ粘性減衰係数を乗じた値をセンサ粘性減衰圧力とし、
前記検出位置にセンサばね定数を乗じた値をセンサばね圧力とし、
前記センサ粘性減衰圧力に前記センサばね圧力を加算した値を前記圧力センサの検出圧力として出力し、
前記検出圧力を前記センサ反力としている
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項2】
前記圧力制御フィードバックループは、
外部から入力された上位圧力指令と前記検出圧力との偏差に対し、第３ゲインを乗じて積分し、かつ前記検出位置と第１ゲインの乗算値及び前記検出速度と第２ゲインの乗算値を減じた値を前記圧力指令として前記制御対象に入力することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
外部から入力された上位圧力指令と前記検出圧力との偏差に対し、第３ゲインを乗じて積分し、かつ前記検出位置と第１ゲインの乗算値及び前記検出速度と第２ゲインの乗算値を減じた値を前記圧力指令として前記制御対象に入力することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項3】
前記可動部質量をＪ、前記センサバネ定数をＫｓｔ、前記第１ゲインをｋ１、前記第２ゲインをｋ２、前記第３ゲインをｋ３とした場合、
ｋ１＞Ｊ・Ｋｓｔ・ｋ３／ｋ２−Ｋｓｔ
の関係を満たすよう各ゲインを設定していることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
ｋ１＞Ｊ・Ｋｓｔ・ｋ３／ｋ２−Ｋｓｔ
の関係を満たすよう各ゲインを設定していることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
【請求項4】
応答周波数をωとした場合、
ｋ１≒３ω２・Ｊ−Ｋｓｔ
ｋ２≒３ω・Ｊ
ｋ３≒（Ｊ／Ｋｓｔ）・ω３
の関係を満たすよう各ゲインを設定していることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
ｋ１≒３ω２・Ｊ−Ｋｓｔ
ｋ２≒３ω・Ｊ
ｋ３≒（Ｊ／Ｋｓｔ）・ω３
の関係を満たすよう各ゲインを設定していることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【請求項5】
前記第２ゲインに対しては、前記検出速度と外部から入力された上位速度指令との偏差を乗算することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項6】
前記第１ゲインに対しては、前記検出位置と外部から入力された上位位置指令との偏差を乗算することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項7】
前記第１ゲインに対しては、前記検出位置と前記上位位置指令との偏差を積分して乗算することを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
【請求項8】
圧力センサを備えた制御対象を駆動するモータを制御するためのモータ制御装置であって、
外部から入力された上位位置指令と前記モータの検出位置との位置偏差を位置制御部に入力して速度指令を生成する位置制御フィードバックループと、
前記速度指令と前記モータの出力速度との速度偏差を速度制御部に入力してトルク指令を生成し前記モータに入力する速度制御フィードバックループと、
外部から入力された上位圧力指令と前記圧力センサから検出された検出圧力との圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成し前記上位位置指令に加算する圧力制御フィードバックループと、
を有することを特徴とするモータ制御装置。
外部から入力された上位位置指令と前記モータの検出位置との位置偏差を位置制御部に入力して速度指令を生成する位置制御フィードバックループと、
前記速度指令と前記モータの出力速度との速度偏差を速度制御部に入力してトルク指令を生成し前記モータに入力する速度制御フィードバックループと、
外部から入力された上位圧力指令と前記圧力センサから検出された検出圧力との圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成し前記上位位置指令に加算する圧力制御フィードバックループと、
を有することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項9】
前記圧力制御部は積分器を備えていることを特徴とする請求項８記載のモータ制御装置。
【請求項10】
前記位置制御部は積分器を備えていることを特徴とする請求項８又は９記載のモータ制御装置。
【請求項11】
前記速度制御フィードバックループは、前記トルク指令に前記検出圧力を加算して前記モータに入力することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項12】
請求項８乃至１１のいずれか１項に記載のモータ制御装置に相当するサーボアンプに前記上位位置指令及び前記上位圧力指令を入力するモータ制御方法であって、
前記上位圧力指令を略０値にしたまま前記圧力センサがその接触予定位置に近接する位置まで前記上位位置指令を入力することと、
前記圧力センサが前記接触予定位置の近接位置に位置決めした後に、前記上位位置指令を前記近接位置としたまま前記上位圧力指令を所定値で入力することと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。
前記上位圧力指令を略０値にしたまま前記圧力センサがその接触予定位置に近接する位置まで前記上位位置指令を入力することと、
前記圧力センサが前記接触予定位置の近接位置に位置決めした後に、前記上位位置指令を前記近接位置としたまま前記上位圧力指令を所定値で入力することと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。
【請求項13】
請求項８乃至１１のいずれか１項に記載のモータ制御装置に相当するサーボアンプに前記上位位置指令及び前記上位圧力指令を入力する上位制御装置が備える演算装置に実行させるモータ制御プログラムであって、
前記上位圧力指令を略０値にしたまま前記圧力センサがその接触予定位置に近接する位置まで前記上位位置指令を入力することと、
前記圧力センサが前記接触予定位置の近接位置に位置決めした後に、前記上位位置指令を前記近接位置としたまま前記上位圧力指令を所定値で入力することと、
を実行させることを特徴とするモータ制御プログラム。
前記上位圧力指令を略０値にしたまま前記圧力センサがその接触予定位置に近接する位置まで前記上位位置指令を入力することと、
前記圧力センサが前記接触予定位置の近接位置に位置決めした後に、前記上位位置指令を前記近接位置としたまま前記上位圧力指令を所定値で入力することと、
を実行させることを特徴とするモータ制御プログラム。
【請求項14】
位置制御フィードバックループを備えてモータを制御するサーボアンプ、に上位位置指令を入力するモータ制御方法であって、
生成した上位圧力指令と前記モータを含む制御対象から検出された検出圧力との圧力偏差を生成することと、
前記圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成することと、
生成した上位位置指令に前記位置補正指令を加算して前記サーボアンプに入力することと、
前記上位圧力指令と前記上位位置指令を経時的に切り換えて生成することと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。
生成した上位圧力指令と前記モータを含む制御対象から検出された検出圧力との圧力偏差を生成することと、
前記圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成することと、
生成した上位位置指令に前記位置補正指令を加算して前記サーボアンプに入力することと、
前記上位圧力指令と前記上位位置指令を経時的に切り換えて生成することと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。
【請求項15】
位置制御フィードバックループを備えてモータを制御するサーボアンプ、に上位位置指令を入力する上位制御装置が備える演算装置に実行させるモータ制御プログラムであって、
生成した上位圧力指令と前記モータを含む制御対象から検出された検出圧力との圧力偏差を生成することと、
前記圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成することと、
生成した上位位置指令に前記位置補正指令を加算して前記サーボアンプに入力することと、
前記上位圧力指令と前記上位位置指令を経時的に切り換えて生成することと、
を実行することを特徴とするモータ制御プログラム。
生成した上位圧力指令と前記モータを含む制御対象から検出された検出圧力との圧力偏差を生成することと、
前記圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成することと、
生成した上位位置指令に前記位置補正指令を加算して前記サーボアンプに入力することと、
前記上位圧力指令と前記上位位置指令を経時的に切り換えて生成することと、
を実行することを特徴とするモータ制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
開示の実施形態は、モータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ制御プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、ロードセルで検出した機械内の検出圧力を圧力指令に帰還させて圧力フィードバック制御を行う制御装置が開示されている。
【0003】
特許文献２には、位置制御フィードバックループと圧力制御フィードバックループを個別に設けて切り替えることで、位置制御と圧力制御を経時的に切り替えて制御するモータ制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平１０−１２８８１２号公報
【特許文献2】特開２００９−１４１９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、圧力制御フィードバックループを安定的かつ高い指令応答性で作動させるためには各種ゲインを厳密に調整することが望ましく、それら制御ゲインの設定は圧力制御フィードバックループのブロック構成に大きく依存する。この点において、上記従来技術では圧力制御フィードバックループのブロック構成が複雑になりやすく、ゲイン調整が困難である。
【0006】
また上記特許文献１の従来技術のように、個別に設けた位置制御フィードバックループと圧力制御フィードバックループを切り替えて利用する場合には、２つのフィードバックループ間においてブロック構成や各種ゲインの違いにより線形性が保持されないため、条件によっては切り替え時に衝撃が生じる。
【0007】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、機能的な圧力一定制御が可能なモータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ制御プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、モータの駆動による圧力制御を行うモータ制御装置であって、前記モータと圧力センサを備えた制御対象モデルに対応する圧力制御フィードバックループを有し、前記制御対象モデルは、入力された圧力指令とセンサ反力と可動部粘性減衰力と可動部質量に基づいた値を前記モータの検出速度として出力し、当該検出速度に対し積分した値を前記モータの検出位置として出力し、前記検出速度に可動部粘性減衰係数を乗じた値を前記可動部粘性減衰力とし、前記検出速度にセンサ粘性減衰係数を乗じた値をセンサ粘性減衰圧力とし、前記検出位置にセンサばね定数を乗じた値をセンサばね圧力とし、前記センサ粘性減衰圧力に前記センサばね圧力を加算した値を前記圧力センサの検出圧力として出力し、前記検出圧力を前記センサ反力としているモータ制御装置が適用される。
【0009】
また、本発明の別の観点によれば、圧力センサを備えた制御対象を駆動するモータを制御するためのモータ制御装置であって、外部から入力された上位位置指令と前記モータの検出位置との位置偏差を位置制御部に入力して速度指令を生成する位置制御フィードバックループと、前記速度指令と前記モータの出力速度との速度偏差を速度制御部に入力してトルク指令を生成し前記モータに入力する速度制御フィードバックループと、外部から入力された上位圧力指令と前記圧力センサから検出された検出圧力との圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成し前記上位位置指令に加算する圧力制御フィードバックループと、を有するモータ制御装置が適用される。
【0010】
また、本発明の別の観点によれば、モータ制御装置に相当するサーボアンプに前記上位位置指令及び前記上位圧力指令を入力するモータ制御方法であって、前記上位圧力指令を略０値にしたまま前記圧力センサがその接触予定位置に近接する位置まで前記上位位置指令を入力することと、前記圧力センサが前記接触予定位置の近接位置に位置決めした後に、前記上位位置指令を前記近接位置としたまま前記上位圧力指令を所定値で入力することと、を実行するモータ制御方法が適用される。
【0011】
また、本発明の別の観点によれば、モータ制御装置に相当するサーボアンプに前記上位位置指令及び前記上位圧力指令を入力する上位制御装置が備える演算装置に実行させるモータ制御プログラムであって、前記上位圧力指令を略０値にしたまま前記圧力センサがその接触予定位置に近接する位置まで前記上位位置指令を入力することと、前記圧力センサが前記接触予定位置の近接位置に位置決めした後に、前記上位位置指令を前記近接位置としたまま前記上位圧力指令を所定値で入力することと、を実行させるモータ制御プログラムが適用される。
【0012】
また、本発明の別の観点によれば、位置制御フィードバックループを備えてモータを制御するサーボアンプ、に上位位置指令を入力するモータ制御方法であって、生成した上位圧力指令と前記モータを含む制御対象から検出された検出圧力との圧力偏差を生成することと、前記圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成することと、生成した上位位置指令に前記位置補正指令を加算して前記サーボアンプに入力することと、前記上位圧力指令と前記上位位置指令を経時的に切り換えて生成することと、を実行するモータ制御方法が適用される。【0013】
また、本発明の別の観点によれば、位置制御フィードバックループを備えてモータを制御するサーボアンプ、に上位位置指令を入力する上位制御装置が備える演算装置に実行させるモータ制御プログラムであって、生成した上位圧力指令と前記モータを含む制御対象から検出された検出圧力との圧力偏差を生成することと、前記圧力偏差を圧力制御部に入力して位置補正指令を生成することと、生成した上位位置指令に前記位置補正指令を加算して前記サーボアンプに入力することと、前記上位圧力指令と前記上位位置指令を経時的に切り換えて生成することと、を実行させるモータ制御プログラムが適用される。【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、機能的な圧力一定制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】実施形態のモータ制御装置に相当するサーボアンプのシステム構成を表すブロック図である。
【図2】サーボアンプを適用した圧力制御システムの具体的構成例を表す図である。
【図3】制御機械の台座周辺を拡大して圧力制御システムの具体的な動作工程を説明する図である。
【図4】上位制御装置のＣＰＵが実行する制御手順を示すフローチャートである。
【図5】対象物が規格より大きい場合の圧力制御システムの具体的な動作工程を説明する図である。
【図6】状態フィードバックにより設計した制御対象のブロック図である。
【図8】状態フィードバックを行った状態の制御対象を示すブロック図である。
【図38】２軸同期制御のサーボアンプを適用した圧力制御システムの具体的構成例を表す図である。
【図48】圧力制御フィードバックループを上位制御装置に分担させた場合のシステム構成を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
＜１：実施形態の説明＞以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【0017】
＜１．１：サーボアンプの概略構成＞まず、図１を用いて、本実施形態に係るモータ制御装置に相当するサーボアンプの概略的な構成について説明する。図１に示すサーボアンプ１は、同一の制御ブロック構成で位置制御と圧力制御を行う。つまり、サーボアンプ１は、上位制御装置２（後述の図２参照）から入力される上位位置指令ＰｏｓＲｅｆに基づいてモータ（この例では回動型のもの；後述の図２参照）の回転位置及び当該モータが駆動する制御機械の可動部の出力位置を制御する。また一方で、サーボアンプ１は、同じ上位制御装置２から入力される圧力指令Ｔｒｅｆに基づいて上記可動部の出力圧力（この例では押圧力；後述の図２参照）を制御する。なお、以下における制御ブロックの図示及び説明は全て伝達関数形式での説明とする。図１において、本実施形態のサーボアンプ１は、位置制御部１１と、速度制御部１２と、圧力制御部１３とを有している。
【0018】
位置制御部１１は、入力された上位位置指令ＰｏｓＲｅｆと、モータの出力位置ＰｏｓＦＢとの差である位置偏差（上記図１中のＡ参照）に基づき、この位置偏差を少なくするように速度指令（上記図１中のＢ参照）を出力する。そして本実施形態では、この位置制御部１１が、上記位置偏差に乗算する比例器を備えたいわゆる比例制御を行うよう構成されている。
【0019】
速度制御部１２は、上記位置制御部１１からの速度指令と、モータの出力速度ＳｐｄＦＢとの差である速度偏差（上記図１中のＣ参照）に基づき、この速度偏差を少なくするようにトルク指令（上記図１中のＤ参照）を生成しモータに出力する。そして本実施形態では、この速度制御部１２が、上記速度偏差に乗算する比例器を備えたいわゆる比例制御を行うよう構成されている。
【0020】
圧力制御部１３は、入力された上位圧力指令Ｔｒｅｆと、上記制御機械が備える圧力センサ（後述の図２参照）から検出された検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢとの差である圧力偏差（上記図１中のＥ参照）に基づき、この圧力偏差を少なくするように上記上位位置指令ＰｏｓＲｅｆに加算する位置補正指令（上記図１中のＦ参照）を出力する。そして本実施形態では、この圧力制御部１３が、上記圧力偏差を積分する積分器を備えた積分制御を行うよう構成されている。
【0021】
以上の構成の本実施形態のサーボアンプ１は、位置制御系のフィードバックループと、速度制御系のフィードバックループと、圧力制御系のフィードバックループの３重ループ構成となっている。つまり、サーボアンプ１は、上位制御装置２から上位位置指令が入力されてから、位置制御部１１、速度制御部１２、モータの順で制御信号が伝達されて、モータの出力位置ＰｏｓＦＢをフィードバックする位置制御フィードバックループを備えている。また、サーボアンプ１は、速度制御部１２、モータの順で制御信号が伝達されて、モータの出力速度ＳｐｄＦＢをフィードバックする速度制御フィードバックループも備えている。また、サーボアンプ１は、上位制御装置２から上位圧力指令Ｔｒｅｆが入力されてから、圧力制御部１３、位置制御部１１、速度制御部１２、モータの順で制御信号が伝達されて、当該モータが駆動する制御機械から検出された検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢをフィードバックする圧力制御フィードバックループを備えている。なお本実施形態では、トルク指令に基づいて例えばＰＷＭ制御による駆動電流をモータに出力する電流制御部とその内部に備えられる電流制御系のフィードバックループについては説明を簡略化するために省略している。
【0022】
そして、本実施形態のサーボアンプ１が制御する対象は、モータを駆動源として作動する例えば生産機械等の制御機械（後述の図２参照）であり、図１中ではこの制御機械の数理モデルを伝達関数形式の制御対象モデル１００として示している。この制御対象モデル１００は、主にモータモデル１０１と圧力センサモデル１０２を有しており、サーボアンプ１から入力されたトルク指令からセンサ反力を減じた値をモータモデル１０１に入力する。モータモデル１０１は、制御機械の可動部質量を含めたモータの数理的構成を模したモデルであり、入力された値に基づいて上記出力速度ＳｐｄＦＢと上記出力位置ＰｏｓＦＢを出力する。圧力センサモデル１０２は、制御機械が備える圧力センサ（後述の図２参照）の数理的構成を模したモデルであり、モータモデル１０１が出力した出力速度ＳｐｄＦＢと出力位置ＰｏｓＦＢに基づいて上記検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢを出力する。上記センサ反力は、モータが圧力検出状態の圧力センサから受ける反力であり、つまり圧力センサから出力される検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢと同等である（上記図１中のＧ参照）。
【0023】
なお、上記のモータモデル１０１と圧力センサモデル１０２の内容、また上記の位置制御部１１、速度制御部１２、圧力制御部１３がそれぞれ備える比例器及び積分器の内容については、後の数学的解析の説明で詳述する。
【0024】
＜１．２：本実施形態の特徴＞生産機械等の制御機械において、可動部に備えた圧力センサを接触対象物に接触させるまでの工程では、後に詳述するように位置制御と圧力制御を経時的に切り替えて行うことが望ましい。このような位置制御と圧力制御の切り替えを行うためには、サーボアンプ１に位置制御フィードバックループを備える制御ブロックと圧力制御フィードバックループを備える制御ブロックとをそれぞれ個別に設けて制御ブロックごと切り替える構成が考えられる。しかしこの場合には、２つのフィードバックループ間においてブロック構成や各種ゲインの違いにより線形性が保持されないため、条件によっては切り替え時に衝撃が生じる。
【0025】
これに対し本実施形態のサーボアンプ１は、その制御ブロックにおいて位置制御フィードバックループと、速度制御フィードバックループと、圧力制御フィードバックループと、を一体に備えている。そして、上位制御装置２側で、上位位置指令ＰｏｓＲｅｆと上位圧力指令Ｔｒｅｆの入力をソフトウェア的に切り替えるシーケンスを行う。これにより、同一の制御ブロックで位置制御と圧力制御を行うことができるため、上述した切り替え時の衝撃の発生を回避できる。
【0026】
またここで、通常の圧力制御フィードバックループでは、圧力偏差に基づいて圧力制御部１３が生成した圧力指令を同じ次元のトルク指令に帰還させる設計が一般的である。しかしこのように設計されたサーボアンプ１を用いて実際に圧力制御を行っても、モータ及び可動部が上位位置指令ＰｏｓＲｅｆの位置にクランプしてしまうだけで、圧接移動による圧力制御が行われない現象が生じることが確認されている。
【0027】
この現象に対し本願発明者は、位置制御フィードバックループから見て上記圧力指令が単なる外乱とみなされてしまい、当該位置制御フィードバックループ側でその圧力指令を相殺するよう位置制御してしまうことに起因して、モータ及び可動部が上位位置指令ＰｏｓＲｅｆの位置にクランプしてしまうことを今回新たに知見した。
【0028】
これに対し本実施形態では、上述したように圧力制御フィードバックループにおいて圧力制御部１３が圧力偏差に基づいて生成した指令を位置補正指令として上位位置指令ＰｏｓＲｅｆに加算している。これにより圧力制御フィードバックループは、位置制御フィードバックループを介して圧力偏差を反映した位置制御を行うことになるため、上述した相殺現象を回避できる。
【0029】
＜１．３：具体的適用例＞図２に、上述した本実施形態のサーボアンプ１を適用した圧力制御システム２００の具体的構成例を示す。図２に示す例の圧力制御システム２００は、主に上位制御装置２と、サーボアンプ１と、モータ３１を含む制御機械３とを有する。
【0030】
上位制御装置２は、例えば特に図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、操作部、表示部等を備えた汎用パーソナルコンピュータ等で構成されており、操作部を介して操作者から入力された各種設定や指令に基づいて上記の上位位置指令ＰｏｓＲｅｆと上位圧力指令Ｔｒｅｆを生成し、サーボアンプ１に入力する。
【0031】
サーボアンプ１は、上位制御装置２から入力された上位位置指令ＰｏｓＲｅｆと上位圧力指令Ｔｒｅｆに基づいてトルク指令を生成し、制御機械３のモータ３１に入力する。この際、モータ３１が備える後述のエンコーダ３１ａから出力された出力位置ＰｏｓＦＢと出力速度ＳｐｄＦＢ、及び制御機械３が備える後述の圧力センサ３５から検出された検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢに基づいて、位置と圧力のフィードバック制御を行う。なお、上記図１中に示した制御対象モデル１００以外の制御ブロックが、このサーボアンプ１を構成している。
【0032】
制御機械３は、図示する例では対象物を２つの板部材で挟み込んで把持する機械であり、例えば卵のような壊れやすい構造の対象物３００に対して損壊させることなく確実に保持可能に所定の圧力で圧接挟持するよう作動する。なお、上記図１中に示した制御対象モデル１００の制御ブロックが、この制御機械３に対応している。この制御機械３は、モータ３１と、カップリング３２と、送りネジ３３と、可動板３４と、圧力センサ３５と、台座３６と、固定板３７とを有している。
【0033】
モータ３１は、この例では回動型のモータであり、その出力軸にはカップリング３２を介して送りネジ３３が連結されている。また、このモータ３１はエンコーダ３１ａを一体に備えており、このエンコーダ３１ａは当該モータ３１の出力軸の回転位置を出力位置ＰｏｓＦＢとして出力するとともに、またその出力位置ＰｏｓＦＢを微分して出力軸の回転速度である出力速度ＳｐｄＦＢとして算出し出力する。なお、出力位置ＰｏｓＦＢと出力速度ＳｐｄＦＢの検出手法については、他の多様な態様を取り得る。例えば、エンコーダ３１ａが出力位置ＰｏｓＦＢだけを出力し、それを入力したサーボアンプ１が微分計算により出力速度ＳｐｄＦＢを算出してもよい。または、モータ３１がエンコーダ３１ａの代わりにタコジェネレータを備えて出力速度ＳｐＤＦＢを出力し、それを入力したサーボアンプ１が積分計算により出力位置ＰｏｓＦＢを算出してもよい。
【0034】
可動板３４は、後述の台座３６に対して摺接移動可能に連結された板部材であり、その端部には上記の送りネジ３３が螺合している。これにより、上記モータ３１が正逆転することで、当該可動板３４が台座３６に摺接しつつ送りネジ３３で送られて所定方向（図中の左右方向）に沿った前後移動を行うよう駆動される。
【0035】
圧力センサ３５は、例えばロードセル等で構成されるものであり、その厚み方向に外部から付加される圧力を検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢとして検出するセンサである。この圧力センサ３５は、上記可動板３４の移動方向一方側の側面に貼り付けられている。
【0036】
台座３６は、その上面に上記対象物３００を載置する部材であり、上記可動板３４の移動方向延長線上に固定板３７を固定して備えている。これにより、可動板３４は、圧力センサ３５を設置している側の側面を固定板３７に対向させた状態で、当該固定板３７に近接、離間する方向に移動する。
【0037】
以上の構成において、サーボアンプ１は、エンコーダ３１ａから出力された出力位置ＰｏｓＦＢと出力速度ＳｐｄＦＢに基づいて、可動板３４の位置が上記の上位位置指令ＰｏｓＲｅｆに追従するようモータ３１を制御する位置フィードバック制御を行う。また、圧力センサ３５から検出された検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢに基づいて、可動板３４が上記の上位圧力指令Ｔｒｅｆで対象物３００を圧接するようモータ３１を制御する圧力フィードバック制御も行う。
【0038】
＜１．４：具体的な動作工程＞図３は、制御機械３の台座３６周辺を拡大した図であり、この図３を用いて圧力制御システム２００の具体的な動作工程を説明する。図示する例では、まず最初に対象物３００が固定板３７に接触しつつ台座３６上に載置されている。この状態で、対象物３００から離間した初期位置に位置している可動板３４が対象物３００側（図中の右側）に移動し、図示しない接触位置で圧力センサ３５が対象物３００に接触する。そこからさらに可動板３４を対象物３００側に移動させることで、圧力センサ３５が対象物３００に押圧されて検出圧力を出力する。そしてこの検出された検出圧力が上位圧力指令Ｔｒｅｆと等しくなる圧接位置まで可動板３４を移動させることで、可動板３４と固定板３７が上位圧力指令Ｔｒｅｆと同等の押圧力で対象物３００を挟持できる。
【0039】
以上の把持工程において、例えば対象物３００から大きく離間した初期位置から可動板３４を圧力一定制御だけで移動させた場合には、圧力制御フィードバックループで圧力制御部１３が積分制御を行うことから可動部に加速がつき過ぎて過剰な移動速度となり（後述の図４のステップＳ１５の説明参照）、その大きな慣性力を伴った状態で圧力センサ３５が対象物３００に衝撃的に接触してしまう。これを回避するために、サーボアンプ１は位置制御と圧力制御を経時的に切り替えてモータ３１を制御することが望ましい。つまり、始めに可動板３４を初期位置から移動させて圧力センサ３５の接触予定位置から手前に近接する位置（図中の切替位置）まで近接させる間は位置制御によって移動させ、その後に圧力制御に切り替えて圧力センサ３５を対象物３００にソフトタッチさせるようにする。
【0040】
以上のような位置制御による可動板３４の位置決め動作と、圧力制御による可動板３４の圧接動作の切り替えは、上位制御装置２における上位位置指令ＰｏｓＲｅｆと上位圧力指令Ｔｒｅｆのソフトウェア的な切替入力により行う。また、可動板３４と固定板３７で対象物３００を圧接把持した状態から可動板３４を初期位置まで引き戻す場合には、逆の工程で行えばよい。つまり、可動板３４を圧接位置から切り替え位置まで戻す動作を圧力制御で行い、そこから初期位置まで戻す位置決め動作を位置制御で行い、それらの動作切り替えを上位制御装置２における上位位置指令ＰｏｓＲｅｆと上位圧力指令Ｔｒｅｆのソフトウェア的な切替入力により行えばよい。
【0041】
＜１．５：制御フロー＞以上のような機能を実現するために、上位制御装置２が備えるＣＰＵ（演算装置に相当；特に図示せず）が実行する制御手順を、図４により順を追って説明する。図４において、このフローに示す処理は、対象物３００が固定板３７に接触しつつ台座３６上に載置され、かつ可動板３４が初期位置に位置している状態で、上位制御装置２が操作部を介して操作者から作動指令を入力された際に実行を開始する。
【0042】
まずステップＳ５で、上位制御装置２のＣＰＵは、サーボアンプ１に対して上位圧力指令Ｔｒｅｆ＝０を出力する。
【0043】
次にステップＳ１０へ移り、上位制御装置２のＣＰＵは、サーボアンプ１に対して上位位置指令ＰｏｓＲｅｆを出力することにより、可動板３４を切替位置まで位置決め動作させる。なお、このときの上位位置指令ＰｏｓＲｅｆは、例えば可動板３４をいわゆるインチング動作させるように、初期位置から切替位置までの距離を細かく分割して繰り返し払い出すように出力するとよい。このステップＳ１０での位置決め動作中には、上記ステップＳ５により上位圧力指令Ｔｒｅｆ＝０が維持されており、また基本的には圧力センサ３５も無接触状態であるため検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢ＝０が検出される。このため、圧力制御フィードバックループは位置補正指令＝０を生成するだけであり、実質的に位置制御フィードバックループと速度制御フィードバックループだけで位置制御を行うことになる。そして上位位置指令ＰｏｓＲｅｆの払い出しが切替位置に到達した際に、可動板３４の移動が一旦停止する。
【0044】
次にステップＳ１５へ移り、上位制御装置２のＣＰＵは、サーボアンプ１に対して上位圧力指令Ｔｒｅｆを所定圧力ｔで出力することで可動板３４に圧接動作を行わせる。なお、所定圧力ｔは、可動板３４と固定板３７で対象物３００を損壊させることなく確実に挟持できるだけの適宜の圧接圧力に設定される。このステップＳ１５での圧接動作中には、上位位置指令ＰｏｓＲｅｆが上記ステップＳ１０で出力された切替位置のまま維持される。また、可動板３４が切替位置から接触位置（不図示）までの間にある際には、圧力センサ３５は検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢ＝０を検出し続ける。このため、圧力制御フィードバックループにおいて常に上位圧力指令Ｔｒｅｆがそのまま圧力偏差となり、圧力制御部１３がこの圧力偏差を継続的に積算し続けて位置補正指令を順次増大するよう生成し、上位位置指令ＰｏｓＲｅｆの切替位置に加算し続ける。これにより、位置制御フィードバックループと速度制御フィードバックループは、可動板３４を対象物３００側に向けて移動させる。
【0045】
しかし、可動板３４が接触位置に到達して圧力センサ３５が対象物３００に接触した後には、可動板３４の押し込み移動に伴って圧力センサ３５からの検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢが増加するため、圧力制御フィードバックループにおける圧力偏差が次第に減少し、圧力制御部１３による位置補正指令の増加も次第に抑制される。そして、検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢが上位圧力指令Ｔｒｅｆに漸近して一致した際には、圧力偏差が０となって圧力制御部１３は位置補正指令を一定値で生成し続けることになり、すなわち可動板３４の移動が停止して圧接位置（切替位置にその時点の位置補正指令を加算した位置）に固定される。以上のようにして本ステップＳ１５では、可動板３４の対象物３００に向けた圧接動作が圧力制御により行われる。
【0046】
次にステップＳ２０へ移り、上位制御装置２のＣＰＵは、操作部（特に図示せず）を介して操作者から引き戻し操作の入力を検出するまでループ待機する。操作部に引き戻し操作が入力された場合には、次のステップＳ２５へ移る。
【0047】
ステップＳ２５では、上位制御装置２のＣＰＵは、サーボアンプ１に対して上位圧力指令Ｔｒｅｆ＝０で出力する。ここで、当該ステップＳ２５の実行時には、可動板３４が対象物３００を圧接している状態であるため、圧力センサ３５からは検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢ＝ｔが出力されている。これにより、圧力制御フィードバックループにおける圧力偏差は負値となり、圧力制御部１３による位置補正指令が減少して可動板３４が対象物３００から離間する方向に移動する。そして、可動板３４の引き戻し移動に伴って圧力センサ３５からの検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢが減少し、可動板３４が接触位置まで戻った際には圧力偏差が０となり圧力制御部１３は位置補正指令を一定値で生成し続ける。本実施形態の例では、上位圧力指令Ｔｒｅｆ＝０を出力してすぐに次のステップＳ３０へ移ることで、上記の圧力制御による可動板３４の引き戻し移動と並行して移動制御も行う。
【0048】
ステップＳ３０では、上位制御装置２のＣＰＵは、サーボアンプ１に対して上位位置指令ＰｏｓＲｅｆを出力することにより、可動板３４を対象物３００から離間移動させる。このとき、上位位置指令ＰｏｓＲｅｆを絶対座標で出力することで、操作者は通常の位置決め操作と同じ感覚で位置制御できる。そして、このフローを終了する。
【0049】
以上のフローによれば、上記ステップＳ５〜ステップＳ１５の手順で可動板３４を初期位置から対象物３００側へ近接移動させて圧接させるアプローチ工程が行われ、その後の引き戻し操作の入力検出後に、上記ステップＳ２５〜ステップＳ３０の手順で可動板３４を対象物３００側から離間移動させる引き戻し工程が行われる。
【0050】
なお、上述したアプローチ工程では対象物３００が規定の大きさにあり、予定された接触位置より手前側の切替位置まで圧力センサ３５が接触しないことを前提として説明した。しかし、上記図３に対応する図５に示すように、例えば対象物３００Ａの大きさのバラツキにより予定された切替位置より手前側で圧力センサ３５が対象物３００Ａに接触するような場合でも、本実施形態のサーボアンプ１は対応が可能である。つまり位置制御中に検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢが出力された場合には、その時点で上位圧力指令Ｔｒｅｆ＝０であるため、圧力制御フィードバックループにおける圧力偏差が負値となり、圧力制御部１３が負値の位置補正指令を出力する。このため、上記ステップＳ１０の通りに上位制御装置２が予定された切替位置までの上位位置指令ＰｏｓＲｅｆを払い続けても、結果的には圧力制御フィードバックループが圧力偏差の釣り合いを取って可動板３４を圧力センサ３５の接触位置（検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢ＝０）に位置決めさせる。その後に、ステップＳ１５で圧力制御を行った際には、圧力センサ３５が所定圧力ｔを検出するまで可動板３４を圧接移動させる。
【0051】
＜１．６：本実施形態の効果＞以上説明したように、本実施形態のサーボアンプ１によれば、同一の制御ブロックにおいて位置制御フィードバックループと、速度制御フィードバックループと、圧力制御フィードバックループと、を一体に備えている。そして、上位制御装置２側で、上位位置指令ＰｏｓＲｅｆと上位圧力指令Ｔｒｅｆの入力をソフトウェア的に切り替えるシーケンスを行う。これにより、同一の制御ブロックで位置制御と圧力制御を行うことができるため、それら制御モードの切り替えにおいても回路上における各パラメータ値やゲイン設定の線形性が保持され、切り替え時の衝撃の発生を回避できる。
【0052】
また本実施形態では、上述したように圧力制御フィードバックループにおいて圧力制御部１３が圧力偏差に基づいて生成した指令を位置補正指令として位置指令に加算している。これにより圧力制御フィードバックループは、位置制御フィードバックループを介して圧力偏差を反映した位置制御を行うことになるため、位置制御により圧力指令を相殺する現象を回避できる。この結果、機能的な圧力一定制御を実現できる。
【0053】
また、本実施形態では特に、圧力制御部１３が積分器（１／ｓ）を備えている。これにより、圧力制御フィードバックループにおける検出圧力の定常偏差の発生を抑制できる。
【0054】
また、本実施形態では特に、上位制御装置２が、上位圧力指令Ｔｒｅｆを略０値にしたまま可動板３４が切替位置に位置するまで上位位置指令ＰｏｓＲｅｆを入力するステップＳ１０の手順と、可動板３４が切り替え位置に位置決めした後に、上位位置指令ＰｏｓＲｅｆを切替位置としたまま上位圧力指令Ｔｒｅｆを所定値ｔで入力するステップＳ１５の手順を実行する。これにより、本実施形態のサーボアンプ１に対し、位置制御と圧力制御の切り替えを機能的に実行できる。
【0055】
なお、上記実施形態では、モータ３１に回転型のものを適用しているが、本発明はこれに限られない。他にも、直動型のリニアモータに対しても上記実施形態の制御ブロックを備えたサーボアンプ１を適用して機能的な圧力一定制御を実現できる。この場合には、トルク指令が推力指令に置き換わる。また、制御機械３についても、上記図２に示した把持機構以外の例えば射出成形機やプレス機などに上記実施形態のサーボアンプ１を好適に適用できる。
【0056】
＜２：制御ブロックの数学的解析＞以下においては、上記実施形態の圧力制御フィードバックループを備えた制御ブロックの数学的解析について、派生する各種の変形例も含め詳細に説明する。
【0057】
まず、上記図２に示したように、モータで駆動する可動部分に圧力センサ３５を備えた制御機械３等に対し、その圧力センサ３５が検出した検出圧力に基づいてモータの駆動を制御するモータ制御装置を考える。このようなモータ制御装置は、検出圧力に各種ゲインを乗算して目標圧力である上位圧力指令Ｔｒｅｆに帰還させる圧力制御フィードバックループを用いることで機能的な圧力一定制御を行える。
【0058】
しかし、上記の圧力制御フィードバックループを安定的かつ高い指令応答性で作動させるためには上記各種ゲインを厳密に調整することが望ましく、それら制御ゲインは圧力制御フィードバックループのブロック構成に大きく依存する。この点で、従来適用されている圧力制御フィードバックループのブロック構成（特に図示せず）は複雑であり、ゲイン調整が困難である。
【0059】
そこで、モータと圧力センサを含む制御対象のモデルを状態フィードバックの手法で構成し、この制御対象モデルに対応して圧力制御フィードバックループの各種ゲインを設定する。以下においては、まず状態フィードバックによる制御対象の安定化の可否について検討する。その後に、圧力制御フィードバックを行うことで上位圧力指令Ｔｒｅｆに対して検出圧力が一致するようにフィードバック制御器の構成を検討する。
【0060】
＜２．１：状態フィードバックによる制御対象の安定化＞図６に制御対象モデルのブロック図を示す。図６において、Ｊは、モータの出力軸を含めた回転子全体と、当該モータにより駆動する制御機械の可動部分を併せた全体の慣性モーメント（イナーシャ）に相当する。また、Ｄｖｉｓは、制御機械における可動部の粘性減衰係数に相当する。また、Ｋｓｔは、圧力センサのばね定数に相当する。また、Ｄｓｔは、圧力センサの粘性減衰係数に相当する。
【0061】
またここで、検出速度ＳｐｄＦＢに可動部粘性減衰係数Ｄｖｉｓを乗じた値を可動部粘性減衰力とし、検出速度ＳｐｄＦＢに粘性減衰係数Ｄｓｔ（センサ粘性減衰係数）を乗じた値をセンサ粘性減衰圧力とし、検出位置ＰｏｓＦＢにばね定数Ｋｓｔ（センサばね定数）を乗じた値をセンサばね圧力とし、センサ反力が検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢそのものと同等であるとする。この場合、制御対象（制御対象モデル）は、入力されたトルク指令（圧力指令）からセンサ反力と可動部粘性減衰力を減じた値に対し、慣性モーメントＪ（可動部質量）で除して積分した値をモータの検出速度ＳｐｄＦＢとして出力し、また当該検出速度ＳｐｄＦＢに対し積分した値をモータの検出位置ＰｏｓＦＢとして出力する。また、制御対象は、センサ粘性減衰圧力にセンサばね圧力を加算した値を圧力センサの検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢとして出力する。
【0062】
図６の制御ブロックを上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの閉ループの伝達関数としてまとめると図７のようになる。図７の伝達関数を可観測正準形式の状態方程式として記述すると次の式（１）のように記述することができる。【0063】
このときの可観測性を確認する。【0064】
次に可制御性の確認をする。【0065】
状態量にかける係数を【0066】
この式（３）より、特性多項式中の定数項と１次項にｋ１またはｋ２が入っているため、【0067】
直動型モータ、すなわちリニアモータの場合、図６中のＳｐｄＦＢとＰｏｓＦＢは直接検出可能である。回転型モータの場合は、フルクローズド制御であれば直接検出可能であるが、セミクローズド制御の場合は、伝達機構や駆動機構のばねや減衰要素が入ってくるため、厳密には観測できない。しかし、押し付け状態では、ばね要素があったとしても十分に圧縮されており、モータ検出位置と可動部の相対位置は一定の関係であると考えられるので、本願では近似的に全状態量が観測できるとする。
【0068】
＜２．２．１：圧力フィードバックによる圧力制御＞図８に状態フィードバックを行った状態の制御対象を示す。図８のブロック構成を上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの閉ループの伝達関数としてまとめると、図９のようになる。図９の伝達関数より、制御ループの安定化と指令応答性の変更が可能であることがわかる。しかし、ｓ＝０の場合に伝達関数が１にならないことから、上位圧力指令Ｔｒｅｆに対して定常偏差が残るため、対策が必要である。
【0069】
最も単純な対策として、積分器の追加を考える。上位圧力指令Ｔｒｅｆと検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢの差に積分制御を行うと図１０のようになる。図１０を上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの閉ループの伝達関数としてまとめると図１１のようになる。図１１の伝達関数より、制御ループの安定化と指令応答性の変更が可能であり、ｓ＝０の場合にも伝達関数が１になるため定常偏差が残らないことがわかる。
【0070】
図１１をブロック図として書き直すと図１２または図１３のようになる。図１２と図１３は制御的には等価なので実装しやすいほうを採用すればよい。例えば図１２の制御ブロックが備える圧力制御フィードバックループについては、外部から入力された上位圧力指令Ｔｒｅｆと検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢとの偏差に対し、ゲインｋ３（第３ゲイン）を乗じて積分し、かつ検出位置ＰｏｓＦＢとゲインｋ１（第１ゲイン）の乗算値及び検出速度ＳｐｄＦＢとゲインｋ２（第２ゲイン）の乗算値を減じた値をトルク指令（圧力指令）として制御対象に入力している。
【0071】
＜２．２．２：安定性の確認＞上記検討した圧力制御フィードバックループの安定性を確認する。Ｒｏｕｔｈ−Ｈｕｒｗｉｔｚの安定判別より、制御ループが安定であるための必要十分条件は次の式（４）を満足することである。
【0072】
式（４）を展開すると、次の式（４）′となる。【0073】
この式（４）″を解くと次の式（５）または（５）′を得る。【0074】
＜２．２．３：最適ゲイン設定値の導出＞次に、係数図法を利用して最適ゲイン計算式を導出する。図１１の特性多項式より安定度指標は以下のようになる。
【0075】
安定条件式（５）′を満足する範囲でｋ１を任意に選ぶことで、式（８）、式（９）のゲインにより係数図法標準形の応答得ることができる。また、このときの等価時定数τは次の式（１０）から求めることができる。【0076】
たとえば、ｋ１＝１０、Ｋｓｔ＝０．４２４［Ｎｍ／ｒａｄ］、Ｊ＝８．３７５×１０−５［ｋｇｍ２］の場合、ｋ２＝０．０４２、ｋ３＝２４４０．６９６となる。このとき、式（５）′の右辺は１．６４０（＜ｋ１）となるので安定条件を満足し、等価時定数は約１０ｍｓである。このように導出した最適ゲインを図１２、図１３の制御ブロックに適用した場合のステップ応答のシミュレーションを図１４に示す。
【0077】
＜２．２．４：極配置法適用の検討＞係数図法では最適ゲイン計算式を導出したが、実際のサーボ調整にあたっては等価時定
数が大きい状態から調整を開始して、徐々に等価時定数を小さくしていく手法のほうがより直観的で容易に行える。ここでは、一例として、上記図１１の特性多項式が３重根を持つような条件を検討する。
【0079】
式（１１）〜式（１３）より、簡単のためＤｖｉｓ＝Ｄｓｔ＝０とすると、ゲインｋ１，ｋ２，ｋ３は応答周波数ωの関数として表すことができる。【0080】
たとえば、ω＝２π×１０［ｒａｄ／ｓ］、Ｋｓｔ＝０．４２４［Ｎｍ／ｒａｄ］、Ｊ＝８．３７５×１０−５［ｋｇｍ２］の場合、ｋ１＝０．５６８、ｋ２＝０．０１６、ｋ３＝４８．９９６となる。このとき、式（５）′の右辺は−０．３１４（＜０）となるので安定条件を満足し、等価時定数は約４８ｍｓである。
【0081】
上記条件からω＝２π×１００［ｒａｄ／ｓ］に変更すると、ｋ１＝９８．７６６、ｋ２＝０．１５８、ｋ３＝４８９９５．７６７となる。このとき、式（５）′の右辺１０．５９７（＜ｋ２）となるので安定条件を満足し、等価時定数は約５ｍｓである。
【0082】
これらω＝２π×１０［ｒａｄ／ｓ］の場合と、ω＝２π×１００［ｒａｄ／ｓ］の場合のそれぞれで設定したゲインを図１２、図１３の制御ブロックに適用した場合のステップ応答のシミュレーションを図１５、図１６に示す。
【0083】
＜２．２．５：機械諸元の推定方法＞上述した制御ブロックにおける各ゲインの設定では、物理諸元として上記のＪに相当する可動部分の慣性モーメントまたは質量と、上記のＤｓｔに相当する圧力センサのばね定数が既知であることが望ましい。以下には、実験または計算によりこれらを推定する方法について順に説明する。
【0084】
例えば、制御機械に回転型モータを使用する場合、上記Ｊに相当する可動部の慣性モーメントは、モータ回転子の慣性モーメントと制御機械の可動部分の負荷慣性モーメントの合計となる（単位は［ｋｇｍ２］）。また、制御機械にリニアモータを使用する場合、上記Ｊに相当する可動部の質量は、モータ可動子の質量と制御機械の可動部分の負荷質量の合計となる（単位は［ｋｇ］）。これら慣性モーメントまたは質量は、例えば適宜ゲイン設定されたサーボアンプの利用による実験動作で検出したトルク指令または推力をモータ加速度で除すれば求めることができる。モータ加速度は、検出速度ＳｐｄＦＢを１階微分することで得られる。
【0085】
また、圧力センサのばね定数については、微小な変位における機械のばね定数を線形ばねと考え、フックの法則を考えると次式を定義することができる。【0086】
ここで、Ｆ０は初期の検出圧力（単位は［Ｎ］）、Ｆはある変位を発生させたときの検出圧力（単位は［Ｎ］）、ｘ０は初期の可動部位置（単位は［ｍ］）、ｘは初期可動部位置からの変位（単位は［ｍ］）、Ｋｓｔはばね定数（単位は［Ｎ／ｍ］）である。そして、圧力センサが対象物に接触している初期状態で、そのときの検出圧力（Ｆ０）と検出位置（ｘ０）を測定する。その後に圧力制御モードで圧接して、検出圧力（Ｆ）と検出位置（ｘ）を測定する。これらの測定値を用いて以下の式から、ばね定数Ｋｓｔを計算できる。【0087】
また、広義の圧力制御としては、上記図２に示した直動機構における圧力制御だけではなく、特に図示しない回動機構における圧力制御もありえる。この場合には、直動的な推力である検出圧力Ｆ０，Ｆ［Ｎ］の代わりにトルクであるＴ０，Ｔ［Ｎｍ］を用い、また直動的な位置であるｘ０，ｘ［ｍ］の代わりに回転位置θ０，θ［ｒａｄ］を用いて以下の式から、ばね定数Ｋｓｔ［Ｎｍ／ｒａｄ］を計算すればよい。【0088】
＜２．３．１：速度制御への拡張＞次に、上記図１２に示した圧力制御の制御ブロックから速度制御への拡張を検討する。図１２中のゲインｋ２に乗じる直前の信号（ＳｐｄＦＢ）は、速度指令＝０と速度フィードバックの差（速度偏差）とみなすこともできる。この観点から、図１２の制御ブロックに速度指令ＳｐｄＲｅｆを入力する形で変形した場合、図１７に示す制御ブロックとなる。この図１７において、速度指令ＳｐｄＲｅｆ＝０のときは、図１２の制御ブロックと同等となる。
【0089】
さらにゲインｋ１のパスを変形すると図１８のように書き直すことができる。図１８中のゲインｋ１とｋ２は速度ＰＩ制御の積分ゲインと比例ゲインに相当する。結局、図１８の制御ブロックは、図１２のものと一致する。図１８における速度制御部を通常のＰＩ制御と同じ形に書き直すと図１９のようになる。図１９において、ゲインｋ２は、速度比例ゲインと慣性モーメント比から計算される総慣性モーメントの積に相当する。また、ｋ２／ｋ１は速度ループ積分時間に相当する。
【0090】
＜２．３．２：速度制御の安定性と極配置法適用の検討＞図１９の制御ブロックは、図１２の制御ブロックを完全に等価変換したものである。したがって、速度指令ＳｐｄＲｅｆが０の場合に上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの安定性は、上述した図１２の制御ブロックにおける安定性の確認での検討結果と一致する。すなわち、以下を満足すれば安定である。
【0091】
また、極配置法の適用によるゲイン計算式についても、図１２の制御ブロックと同様に式（１４）〜式（１６）を適用できる。
【0092】
＜２．３．３：シミュレーションによる速度制御の動作確認＞上記の式（１４）〜式（１６）を使用して計算したゲインにてシミュレーションを行った場合の動作波形を、図２０〜図２２に示す。図２０は検出位置ＰｏｓＦＢに対応し、図２１は上位速度指令ＳｐｄＲｅｆと検出速度ＳｐｄＦＢに対応し、図２２はモータトルクと上位圧力指令Ｔｒｅｆと検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢに対応している。なお、制御ブロックが速度制御なので、位置偏差については省略している。動作としては、各図共通で上位制御装置が０ｓｅｃ〜０．４ｓｅｃまで上位速度指令ＳｐｄＲｅｆを入力後、０．５ｓｅｃから上位圧力指令Ｔｒｅｆの入力を自動的に切り替えた。圧力センサは０．６ｓｅｃ程度から接触している。図２０〜図２２から分かるように、速度制御と圧力制御が同じ図１９の制御ブロックにて動作できていることがわかる。
【0093】
図２０〜図２２に示した例では、圧力制御を基準として速度比例ゲインｋ２および速度ループ積分時間ｋ１／ｋ２を決定したが、通常通りに速度制御を基準として決定した速度ループゲインｋ２および速度ループ積分時間ｋ２／ｋ１と上記の式（１６）で計算したゲインｋ３を使用すると、図２３〜図２５のようになる。図２３〜図２５のゲインでも安定条件を満足しているので、問題ないことがわかる。このことから、ゲインｋ３との関係が適切であれば、速度制御部は通常の１パラメータチューニングで調整し、その後に圧力制御ゲインｋ３を調整することも可能である。
【0094】
なお、上記図２０〜図２２及び図２３〜図２５のシミュレーションで使用した諸元としては、下記の表１のとおりである。また、制御対象の値は常識的な数値として適宜定義したものであり、特定の機構を想定した値ではない。【表1】
【0095】
＜２．４．１：位置制御への拡張＞次に、上記図１２に示した圧力制御の制御ブロックから位置制御への拡張を検討する。図１２中のゲインｋ１に乗じる直前の信号（ＰｏｓＦＢ）は、位置指令＝０と位置フィードバックの差（位置偏差）とみなすこともできる。この観点から、図１２の制御ブロックに位置指令ＰｏｓＲｅｆを入力する形で変形した場合、図２６に示す制御ブロックとなる。この図２６において、位置指令ＰｏｓＲｅｆ＝０のときは、図１２の制御ブロックと同等となる。
【0096】
ここで位置制御の場合、上位圧力指令Ｔｒｅｆと検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢの差をトルク指令にフィードバックすると、位置制御に対する外乱となる。そのため、位置ずれ防止のために位置制御部に積分器を追加すると、正常に圧力制御が機能しない。これに対して、図２６の制御ブロックを変形して図２７や図２８の制御ブロックのように位置制御／速度制御の２重ループに圧力制御による位置補正指令が加算されるという形に書き直すことで解決できる。なお、上記図１の制御ブロックは、この図２８に示した制御ブロックと等価である。
【0097】
図２７までは完全な等価変形なので制御ループの安定性に変化はないが、このまま実際に適用しようとすると、定常外乱による位置ずれが発生するおそれがある。この問題を解決するためには、位置制御部または速度制御部のいずれかに積分器を追加すればよい。ここでは、後述する簡易的な多軸同期制御への拡張も念頭において図２８のように位置積分１／Ｔｐｉｓを追加する。図２８の制御ブロックにおいて、上位位置指令ＰｏｓＲｅｆに対してフィードバック位置ＰｏｓＦＢは必ず一致するので、上位圧力指令Ｔｒｅｆに対して検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢが一致すれば、図２８の制御ブロックは位置と圧力の両方を制御できる。
【0098】
上位位置指令ＰｏｓＲｅｆ＝０として上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの伝達関数は次の式（１７）のようになる。【0099】
＜２．４．２：位置制御の安定性の確認＞上記の位置制御ブロックの安定性を確認する。Ｒｏｕｔｈ−Ｈｕｒｗｉｔｚの安定判別より、制御ループが安定であるための必要十分条件は次の式（１８）と式（１９）の両方を満足することである。
【0100】
この式（１８）を展開すると、次の式（１８）′となる。【0101】
同様に、式（１９）をＤｖｉｓ＝Ｄｓｔ＝０として展開すると次の式（１９）′となる。【0102】
＜２．４．３：位置制御の極配置法適用の検討＞ここでは、一例として、式（１７）の特性多項式が４重根を持つような条件を検討する。
【0103】
（ｓ＋ω）４＝ｓ４＋４ωｓ３＋６ω２ｓ２＋４ω３ｓ＋ω４と式（１７）の特性多項式の係数を比較すると以下の式を得ることができる。【0104】
これら式（２２）〜式（２５）より、簡単のためＤｖｉｓ＝Ｄｓｔ＝０とすると、ゲインｋ１，ｋ２，ｋ３及び積分時間Ｔｐｉは以下のように応答周波数ωの関数として表すことができる。【0105】
＜２．４．４：シミュレーションによる位置制御の動作確認＞上記の式（２６）〜式（２９）を使用して計算したゲインと積分時間にてシミュレーションを行った場合の動作波形を、図２９〜図３２に示す。図２９は上位位置指令ＰｏｓＲｅｆと検出位置ＰｏｓＦＢに対応し、図３０は位置偏差に対応し、図３１は速度指令と検出速度ＳｐｄＦＢに対応し、図３２はモータトルクと上位圧力指令Ｔｒｅｆと検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢに対応している。動作としては、各図共通で上位制御装置が０ｓｅｃ〜０．４ｓｅｃまで上位位置指令ＰｏｓＲｅｆを入力後、０．５ｓｅｃから上位圧力指令Ｔｒｅｆの入力を自動的に切り替えた。圧力センサは０．６ｓｅｃ程度から接触している。図２９〜図３２から分かるように、速度制御と圧力制御が同じ図２８の制御ブロックにて動作できていることがわかる。
【0106】
図２９〜図３２に示した例では、圧力制御を基準として位置と速度の各ループゲインｋ１／ｋ２、ｋ２および位置ループ積分時間Ｔｐｉを決定したが、通常通りに位置制御を基準として決定した位置と速度の各ループゲインｋ１／ｋ２、ｋ２および位置ループ積分時間Ｔｐｉと上記の式（２６）で計算したゲインｋ３を使用すると、図３３〜図３６のようになる。図３３〜図３６のゲインでも安定条件を満足しているので、問題ないことがわかる。このことから、ゲインｋ３との関係が適切であれば、位置／速度制御部は通常の１パラメータチューニングで調整し、その後に圧力制御ゲインｋ３を調整することも可能である。
【0107】
なお、上記図２９〜図３２及び図３３〜図３６のシミュレーションで使用した諸元としては、下記の表２のとおりである。また、制御対象の値は常識的な数値として適宜定義したものであり、特定の機構を想定した値ではない。【表2】
【0108】
＜２．４．５：多軸同期制御への拡張＞上述したように、図２８の制御ブロックは簡単に多軸同期制御に拡張することができる。図３７に２軸同期制御に拡張した制御ブロック図を示す。図３７の制御ブロックは、例えば上記図２に対応する図３８に示すように、２軸のそれぞれが駆動する直動機構の可動部に梁となる１つの可動板３４Ａを渡すように設け、その可動板３４Ａの中間位置に圧力センサ３５を設置しているような機構を想定している。ここでは詳細に言及しないが、概念としては、２軸が発振する原因の１つである積分器への溜りを各軸ではなく、共通で１つにした点を特徴としている。
【0109】
図３７の制御ブロックを図２８と同じゲインでシミュレーションした波形を図３９〜図４２に示す。このとき、同期制御の効果をわかりやすくするために、２軸目の検出速度ＳｐｄＦＢおよび検出位置ＰｏｓＦＢに検出速度ＳｐｄＦＢの５％相当の定常オフセットを設定した。図３９〜図４２よりオフセット分の差異がトルク指令には観測できるが、位置制御や検出圧力は１軸で制御した場合と同様の結果になっている。
【0110】
＜２．５：ループ安定化のための制御パス追加について＞上記＜２．２．１＞節で検討した圧力フィードバック制御は、制御対象の慣性モーメント比やばね定数によっては、特性方程式に重根解を与えるゲインが負の値にあることがある。ゲインが負の値になっても圧力フィードバックループとしては安定であるため問題はないが、速度制御や位置制御とゲインを共通にする場合は制御ループが不安定になるため問題となる。本検討では、制御対象の特性に依存することなしに、圧力フィードバック／位置制御／速度制御のいずれの状態でも特性方程式に重根解を与えるゲインが正の値になる方法を検討する。
【0111】
＜２．５．１：力制御ベース、速度制御ベースでの制御ブロックの導出＞上記図１２に記載した圧力フィードバックの制御ブロックについて、上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの伝達関数は次の式（３０）のとおりである。
【0112】
この図４３の場合の上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの伝達関数は次の式（３１）のようになる。【0113】
＜２．５．２：位置制御ベースでの制御ブロックの導出＞上記図２８に記載した位置制御フィードバックの制御ブロックについて、上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの伝達関数は次の式（３２）のとおりである。
【0114】
この図４５の場合の上位圧力指令Ｔｒｅｆから検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢまでの伝達関数は次の式（３３）のようになる。【0116】
上式は、式（２６）が式（２６）′に変化しただけであるが、式（２６）に存在したばね定数の項（−Ｋｓｔ）がなくなったため、すべてのゲインは常に正の値となる。すなわち、センサ非接触状態（位置制御）でも負帰還となるため、制御ループは安定にできる。このようにすることで、圧力制御フィードバックと位置制御の両方において制御対象の特徴に影響されることなく、安定となるゲインを得ることができる。
【0117】
＜２．５．３：ローパスフィルタの適用について＞例えば、圧力センサ３５の出力がアナログである場合にセンサノイズによる振動を防ぐため、上記図４３に対応する図４６に示すように、検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢにローパスフィルタ（１／（１＋Ｔｓ））を適用することが多い。通常、ノイズ低減を目的としてローパスフィルタを適用する場合の遮断周波数は数百〜数ｋＨｚ程度になることが多いため、圧力制御の制御応答周波数に対して考慮する必要はない。
【0118】
しかし、遮断周波数を数十Ｈｚ程度（またはそれ以下）に設定された場合は、本検討で追加した制御パスＨが過補償になり、圧力制御フィードバックループにオーバーシュートが発生することがある。これは、ローパスフィルタが、本検討で追加した制御パスＨと、上位圧力指令Ｔｒｅｆとの圧力偏差を取るためのパスＩの両方に影響を与えることに起因してオーバーシュートの原因となっていると考えられる。ここで、前者の制御パスＨは機械に対する反力を打ち消す役割を持ち、後者の圧力偏差を取るためのパスＩは上位圧力指令Ｔｒｅｆに対する追従性を決定する。すなわち、前者の制御パスＨの遅れは極力小さくしないと目的を達成できないことになる。一方、後者の圧力偏差を取るためのパスＩでの遅れの影響は指令追従ゲインを下げたこととみなすこともできるため、遅れが大きくてもそれほど大きな問題にはならない。
【0119】
以上により、図４７に示すように制御パスＨと圧力偏差を取るためのパスＩでそれぞれローパスフィルタを分けて設け、制御パスＨ上におけるローパスフィルタの時定数Ｔ２の方を比較的小さく設定（例えばＴ２＝０．３ｍｓ）し、圧力偏差を取るためのパスＩ上におけるローパスフィルタの時定数Ｔ１の方を比較的大きく設定（例えばＴ１＝３ｍｓ）することで上記のオーバーシュートを発生を抑制できる。なおこの検討は、図４７に示した力制御ベースの制御ブロックに限られず、速度制御ベース及び位置制御ベースの制御ブロックにおいても同様に適用できる（図示省略）。
【0120】
＜２．６：圧力制御フィードバックループを上位制御装置側で分担する場合＞上記実施形態では、サーボアンプ１が単体で位置制御フィードバックループと、速度制御フィードバックループと、圧力制御フィードバックループの３重ループを備えていたが、本発明はこれに限られない。例えば、上記図１に対応する図４８に示すように、圧力制御フィードバックループだけを上位制御装置２Ａ側に設けるようにしてもよい。この場合、圧力センサからの検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢが上位制御装置２Ａに直接入力され、これと当該上位制御装置２Ａの内部で生成した上位圧力指令Ｔｒｅｆとの圧力偏差に基づいて、ソフトウェア的に構成された圧力制御部が位置補正指令を生成する。そして当該上位制御装置２Ａの内部で生成した最上位位置指令ＰｏｓＲｅｆ０に位置補正指令を加算して上位位置指令ＰｏｓＲｅｆ１とし、サーボアンプ１Ａに入力する。このように上位制御装置２Ａ側に圧力制御フィードバックループを分担させても、上記実施形態と同様に機能する。なお、この場合には、上位制御装置２Ａとサーボアンプ１Ａの組み合わせが、各請求項に記載のモータ制御装置に相当する。
【0121】
＜２．７：本検討での効果＞以上説明した検討によれば、図６に示したようにモータと圧力センサを含む制御対象のモデルを状態フィードバックの手法で構成し、図８に示したようにこの制御対象モデルに対応して圧力制御フィードバックループの各種ゲインを設定した。つまり、検出速度ＳｐｄＦＢと検出位置ＰｏｓＦＢを制御対象の状態量とし、検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢを制御対象の観測量として制御対象モデルを構成した。このように制御対象モデルを構成したことで、圧力制御フィードバックループのブロック構成を単純化でき、その安定化と指令応答性を実現するための各種ゲインの調整が容易となる。この結果、機能的な圧力一定制御を実現できる。
【0122】
また、上記検討によれば、圧力制御フィードバックループを、外部から入力された上位圧力指令Ｔｒｅｆと検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢとの偏差に対し、ゲインｋ３を乗じて積分し、かつ検出位置ＰｏｓＦＢとゲインｋ１の乗算値及び検出速度ＳｐｄＦＢとゲインｋ２の乗算値を減じた値をトルク指令として制御対象に入力するよう構成した（図１２参照）。このように圧力制御フィードバックループを構成することにより、上記制御対象の状態量である検出速度ＳｐｄＦＢと検出位置ＰｏｓＦＢの挙動に対応して、観測量である検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢを目標圧力である上位圧力指令Ｔｒｅｆに漸近させる圧力制御を実現できる。特に、上位圧力指令Ｔｒｅｆと検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢとの偏差に対して積分を行っていることにより、定常偏差を排除することができる。
【0123】
また、上記検討によれば、ｋ１＞Ｊ・Ｋｓｔ・ｋ３／ｋ２−Ｋｓｔ ・・・（５）′
の関係を満たすよう各ゲインを設定することにより、上記制御対象に対する圧力制御フィードバックループの安定性を確保できる。
【0124】
また、上記検討によれば、ｋ１≒３ω２・Ｊ−Ｋｓｔ ・・・（１４）
ｋ２≒３ω・Ｊ ・・・（１５）
ｋ３≒（Ｊ／Ｋｓｔ）・ω３ ・・・（１６）
の関係を満たすよう各ゲインを設定することにより、応答周波数ωのパラメータ１つの関数として各ゲインの最適値を容易に設定できる。
【0125】
また、上記検討によれば、ゲインｋ２に対しては、検出速度ＳｐｄＦＢと外部から入力された上位速度指令ＳｐｄＲｅｆとの偏差を乗算することで、検出速度ＳｐｄＦＢを目標速度である上位速度指令ＳｐｄＦＢに漸近させる速度制御フィードバックループを追加的に拡張できる（図１７等参照）。
【0126】
また、上記検討によれば、ゲインｋ１に対しては、検出位置ＰｏｓＦＢと外部から入力された上位位置指令ＰｏｓＲｅｆとの偏差を乗算することで、検出位置ＰｏｓＦＢを目標位置である上位位置指令ＰｏｓＲｅｆに漸近させる位置制御フィードバックループを追加的に拡張できる（図２６等参照）。
【0127】
また、上記検討によれば、ゲインｋ１に対しては、検出位置ＰｏｓＦＢと上位位置指令ＰｏｓＲｅｆとの偏差を積分して乗算することで、位置制御フィードバックループにおける定常外乱による位置ずれを回避することができ、例えば多軸同期制御への適用が可能となる（図２８、図３７参照）。なお、これを上記実施形態の場合について言い換えると、位置制御部が積分器 （１／Ｔｐｉｓ）を備えることになる（特に図示せず）。
【0128】
また、上記検討によれば、速度制御フィードバックループは、トルク指令に検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢを加算してモータに入力することで、圧力センサの非接触状態（位置制御）でも位置制御フィードバックループが負帰還となり安定する（図４４、図４５参照）。これにより、圧力制御と位置制御の両方において制御対象の特徴に影響されることなく、安定化を実現できるゲインの設定が可能となる。
【0129】
また、上記検討によれば、上位制御装置２Ａが、生成した上位圧力指令Ｔｒｅｆと検出圧力ＦｏｒｃｅＦＢとの圧力偏差を生成することと、この圧力偏差を圧力制御部（（１／ｓ）・（ｋ３／ｋ１））に入力して位置補正指令を生成することと、生成した最上位位置指令ＰｏｓＲｅｆ０に位置補正指令を加算して上位位置指令ＰｏｓＲｅｆ１とし、サーボアンプ１Ａに入力することと、を実行する。これにより、上位制御装置２Ａ側に圧力制御フィードバックループの機能を分担させることができるため、位置制御フィードバックループ及び速度制御フィードバックループだけを備える一般的なサーボアンプ１Ａを用いて位置制御と圧力制御を切り替えて実行できる。
【0130】
なお、以上の説明における「等しい」とは、厳密な意味ではない。すなわち、「等しい」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に等しい」という意味である。
【0131】
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
【0132】
その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【0133】
１，１Ａ サーボアンプ（モータ制御装置）２ 上位制御装置
２Ａ 上位制御装置（モータ制御装置）
３ 制御機械
１１ 位置制御部
１２ 速度制御部
１３ 圧力制御部
３１ モータ
３１ａ エンコーダ
３２ カップリング
３３ 送りネジ
３４，３４Ａ 可動板
３５ 圧力センサ
３６ 台座
３７ 固定板
１００ 制御対象モデル
１０１ モータモデル
１０２ 圧力センサモデル
２００ 圧力制御システム
，２００Ａ
３００ 対象物
，３００Ａ